学术交流

软土路基后处理技术的诞生与创造性思维

时间:2017/5/18 10:46:56  作者:周同和  来源:网络转载  
  1. 软土路基后处理技术的诞生
  1999 年,京港澳高速公路湖北省武汉东西湖某路段长约 300m,设计填方高度 6.8m 左右,因勘察盲区原因,原设计为天然地基。当路基填方施工高度超过 5m 时,监测数据发现路基沉降量变化速率达 5mm/d,水平振动位移大于 20mm。经补充勘察,发现路堤下浅层地基存在 9m 左右厚度的淤泥,分析认为路基稳定性已达临界点。为保证路基安全,必须立即停止施工进行处理。
  当时恰逢作者在湖北省交通厅系统进行水泥土桩复合地基技术的讲座交流活动,经项目部邀请,前往现场帮助参与解决问题。毫无疑问,最直接的解决问题办法是全部挖除已填路基后的“路改桥”方案。该方案安全可靠,但费用较大、工期无法满足指挥部要求。此后,我提出了采用本文方法进行处理,经过论证研究,指挥部采纳了这一方案。方案设计采用直径 400mm 无砂混凝土桩,桩长 18m,间距 2m 方形布置,桩底端进入好土层老黏土约 2m,如图 1。为确保施工期间路堤的稳定性,需均匀对称施工无砂混凝土桩,桩采用螺旋钻机取土成孔方式。成孔过程中,软弱土层中超孔隙水压得到迅速释放,路基固结沉降变形速率很快,加固施工大约 50 天期间,路基最大附加沉降为 300mm。可见,后处理技术的固结效果
远好于单纯的堆载预压或真空预压和联合预压方法。检测结果显示工后 20d~30d,路基变形速度即达到规范规定的稳定标准。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 1 某软土路基后处理工程沉降监测结果
  与预先采用的搅拌桩复合地基、碎石桩复合地基、排水板等处理方法处理的同类路基相比,该方法处理后的路基沉降稳定速度是最快的。
  方案实施不仅有效治理了危险段路基工程、提高了路基质量,满足了通车要求,还节约了大笔资金,获得圆满成功。
  尔后,路基后处理技术先后在湖北、湖南、河南等省的京港澳高速、大广高速、荆襄高速、孝襄高速、郑少高速、沪陕高速等国内 10 多条高速公路中得到成功应用。在连霍高速公路河南段、京港澳高速公路河南段等加宽改造工程中使用,取得了良好的技术效果。
  2. 路基后处理技术概念及其作用机理
  路基后处理技术是在已进行全部或部分填方路基填筑后施工无砂混凝土桩、CFG 桩或静压预制桩,尔后如图 2,再进行后填路基或垫层、路面结构等施工的路基处理技术。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 2 后处理路基技术概念
  对填筑在饱和软土地基上的高填方路基,在先填路基标高施工无砂砼小桩,通过钻孔、投碎石、灌注水泥浆等工序形成无砂混凝土桩复合地基。该过程具有快速排水排气固结、固化、竖向置换增强等综合作用机理(图 3)。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 3 软土地基后处理技术作用原理
  如图 4,后处理技术也可以用于道路的加宽改造、桥“台后跳车”处理等。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 4 后处理形式
  当先填土高度受到天然地基稳定性限制时,可采用二次处理方法形成多桩型复合地基。如图 5 的软土地基,为满足填方路基的稳定性,填方施工前应对软土地基进行加固处理,先期填方路基达到一定高度时,再采用后处理技术进行处理。
  后处理技术,可使地基获得快速固结效果,加快了路基填筑施工速度、节约工期,大幅度减少路基工后固结沉降。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 5 某二次处理工程断面
  3. 软土路基后处理技术中的创造性思维
  技术的创新离不开人类创造性思维,创造性思维是以感知、记忆、思考、联想、理解等能力为基础,以综合、探索、求新、超越为特征的高级心理活动。一项岩土工程技术的创新成果的取得,往往要经过长期的工程经验积累、理论探索和技术钻研,甚至可能遭受挫折和失败方能取得。创造性思维的过程,则离不开繁多的推理、想象、联想、直觉等思维活动。
  总结该技术形成过程中的创造性思维有下列两点:
  (1)通过联想、直觉思维实现了应力路径原理与固结理论的灵活应用。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 6 应力路径对变形影响原理
  左图所示 ABC 表示先不排水试验,其有效应力路径为曲线 AB,从 A 点到 B 点孔隙水压力增加、有效应力下降,达到接近破坏的 B 点后,排水固结,此时保持 q 不变而增加 P,应力路径为 BC。AC 表示三轴压缩排水试验的有效应力路径。
  以上两种应力路径,初始应力和最终应力状态相同,而相应的轴向应变是不相同的,如右图所示。后处理方法的填土过程可视为曲线 AB 路径,后处理施工过程对应 BC 路径。可见,在后处理桩施工完成时,地基变形远大于先处理方法。
  将后处理无砂混凝土桩复合地基与经典的“弹簧-活塞-水”模型比较,可以采用传统一维固结理论对其进行固结沉降、工后沉降的计算分析。
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
图 7 弹簧-活塞-水模型
  (2)以综合、超越心理活动构思出后处理技术及实施方案,独具匠心。
  无砂混凝土桩成桩施工过程的成孔、投碎石形成的碎石桩,不仅成为很好的竖向排水通道,同时缩短了水平向渗流路径;通过碎石桩内预留管注浆,起到了压力排水、注浆置换、固化土的作用。饱和软土中超孔隙水压力得到迅速消散,地基快速固结,固结后软土强度指标的提高和后期形成的无砂混凝土桩增强体复合地基,既保证了路基稳定性、又提高了路基的工作性能。
  考虑利用填土荷载和无砂混凝土桩施工技术及其实施过程,实现地基土的快速固结,这一思维是对多种地基处理方法的联合运用与求新思维的体现。
  4. 结语
  创造性思维是一种具有开创意义的思维活动,即开拓人类认识新领域、开创人类认识新成果的思维活动,技术创新离不开创造性思维。对岩土工程,应当树立“理论源于实践又指导实践”思想,做到“学以致用、融会贯通、熟可生巧”。软土路基后处理技术的创新,来自工程需求和解决问题的动力,以及岩土工程理论知识的联合运用和产生的技术灵感。
  后处理技术具有固结速度快、工后沉降小、处理费用低、工期短等十分显著的技术特点和优势,未来将成为路基、地基处理技术的发展和研究方向,或将对推动我国地基处理的技术进步带来深远积极的影响。
  最后,作者及其团队与全国道路交通、市政工程界的管理、技术人员,在路基后处理技术方面进行了卓有成效的合作,在此谨向各位合作者的大力支持表示衷心的感谢!
作者简介
软土路基后处理技术的诞生与创造性思维
  周同和 男 1964 年 5 月生于江苏泰州市。郑州大学综合设计研究院教授级高工,国家注册土木(岩土)工程师。
  主要学术职务与社会兼职:住房和城乡建设部建筑工程技术专家委员会委员,住房和城乡建设部建筑地基基础标准化委员会委员、施工安全标准化委员会委员、强制性条文协调委地基基础分委会委员,中国建筑学会地基基础分会副理事长、河南省建设科技协会副理事长、河南省土木建筑学会土力学与岩土工程分会理事长等。
  获部省级科技进步奖 12 项、国家优秀工程勘察设计行业奖 1 项,拥有国家发明专利 6项、专有技术 4 项。主持编制国家行业标准《建筑深基坑工程施工安全技术规范》JGJ311-2013、《河南省基坑工程技术规范》 DBJ41/139-2014 、《河南省地基基础勘察设计规范》DBJ41/138-2014;参加编制国家标准 3 部、国家行业标准 4 部。在国内外学术期刊、会议发表论文 140 余篇。
  主要研究方向:地基(路基)工程技术与理论、桩基承载力设计理论与优化设计、基坑工程理论与复杂条件下支护技术、城市地下工程环境问题与处理技术、建筑物安全评价与加固技术等。

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